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C语言 内存管理详解(一)
2012-11-05 10:47:22 来源: 作者: 【 】 浏览:1537
Tags:语言   内存 管理 详解

  伟大的Bill Gates曾经失言:
  
  640K ought to be enough for everybody -Bill Gates 1981.
  
  程序员们经常编写内存管理程序,往往提心吊胆。如果不想触雷,唯一的解决办法就是发现所有潜伏的地雷并且排除它,躲是躲不了的。
  
  本文的内容比一般教科书要深入的多,读者需要细心阅读,做到真正通晓内存管理。
  
  1、内存分配方式
  
  内存分配方式有三种:
  
  (1)从静态存储区域分配。内存在程序编译的时候就已经分配好了,这块内存在程序的整个运行期间都存在。例如全局变量,static.
  
  (2)在栈上创建。在执行函数时,函数内局部变量的存储单元都可以在栈上创建,函数执行结束时,这些存储单元自动被释放。栈内存分配运算内置于处理器的指令集中。效率很高,但是分配的内存容量有限。
  
  (3)从堆上分配,也成动态分配内存。程序在运行的时候用malloc/new申请任意多少的内存,程序员自己负责在何时用free/delete释放内存。内存分配的生存期由我们决定,使用非常灵活,但是问题也很多。
  
  2、常见的内存错误及对策
  
  发生内存错误是件非常麻烦的事。编译器不能自动发现这些错误,通常是在程序运行时才被捕捉到。而这些错误大多数没有明显的症状,时隐时现,增加了改错的难度。
  
  常见的内存错误对策如下:
  
  ***变成分配未成功,却是用了它。
  
  变成新手经常犯这种错误,因为他们没有意识到内存分配会不成功。常用解决办法是,在是用内存之前检查指针是否为NULL,如果指针p是函数的参数,那么在函数的入口处用assert(p!=NULL)进行检查。
  
  如果是用malloc或new来申请内存,应该是用if(p==NULL)或if(p!=NULL)进行防错处理。
  
  ***内存分配虽然成功,但是尚未初始化就引用它。
  
  犯这种错误的主要原因有两个:一是没有初始化的概念;而是误以为内存的缺省值都是0.导致引用初始值错误(例如数组)。
  
  内存的缺省初始值究竟是什么并没有统一的标准,尽管有些时候为0,我们宁可信其五不可信其有。所以无论用何种方式创建数组,都别忘了赋初值,即便是副0值也不可省略。不要嫌麻烦。
  
  ***内存分配成功后并且初始化了,但操作越过了内存的边界。
  
  例如在是用数组时经常是用下标“多1”或者“少1”的操作。特别是在for循环语句中,循环次数很容易搞错,导致数组操作越界。
  
  ***释放了内存却继续使用它。
  
  有三种情况:
  
  (1)程序中的对象调用关系过于复杂,实在难以搞清楚某个对象究竟是否已经释放了内存,此时应该重新设计数据结构,从根本上解决对象管理的混乱局面。
  
  (2)函数的return写错了,注意不要返回指向“栈内存”的“指针”或者“引用”,因为该内存在函数体结束时会自动被销毁。
  
  (3)是用free或delete释放了内存后,没有将指针设置为null.导致产生野指针。
  
  【规则1】用malloc或new申请内存后,应该立即检查指针是否为null.防止是用指针为null的内存。
  
  【规则2】不要忘记为数组和动态内存赋初值。防止将未被初始化的内存作为右值是用。
  
  【规则3】避免数组或指针的下标越界,特别要小心发生“多1”或者“少1”的操作。
  
  【规则4】动态内存的申请和释放必须配对,防止内存泄露。
  
  【规则5】用free或delete释放内存之后,要立即将指针设置为null,防止产生野指针。
  
  3、指针和数组的对比
  
  c程序中,指针和数组在不少地方可以相互替换着是用,让人产生错觉,以为两者是等价的。
  
  数组要么在静态存储区被创建(如全局数组),要么在栈上被创建。数组名对应着(而不是指向)一块内存,其地址与容量在生命周期内保持不变,只有数组的内容可以改变。
  
  指针可以随时指向任意类型的内存块,它的特征是“可变”的,所以我们常使用是真来操作动态内存。指针远比数组灵活,但也更危险。
  
  厦门以字符串为例比较指针和数组的特性。
  
  3.1修改内容
  
  实例3-1中,字符数组a的容量是6个字符,内容为hello.a的内容可以改变,如a[0]='x'.指针p指向常量字符串“world”(位于静态存储区,内容为world),常量字符串的内容是不可以被修改的。从语法上看,编译器并不觉得语句p[0]='X‘有什么不妥,但是该语句企图修改常量字符串的内容而导致运行错误。
  
  char a[]=“hello”;
  
  a[x]='X';
  
  count 《a 《endl;
  
  char *p=“world”;
  
  p[0]='X';//错误,但编译器不能发现该错误。
  
  count 《p《endl;
  
  3.2内容复制与比较
  
  不能对数组名进行直接复制与比较。示例7-3-2中,若想把数组a的内容复制给数组b,不能用语句b=a,否则将产生编译错误。应该是用标准函数库strcpy复制。同理,比较b和a的内容是否相同,不能用if(b==a)来判断,应该用标准函数strcmp进行比较。
  
  语句p=a并不能把a的内容复制指针p,而是把a的地址赋给了p.要想复制a的内容,可以先用库函数malloc为p申请一块容量为strlen(a)个的内容,再用strcpy进行字符串复制。同理,语句if(p==a)比较的不是内容而是地址,应该用库函数strcmp来比较。
  
  char a[]=“hello”;
  
  char b ;
  
  strcpy(b,a);//不能用b=a;
  
  if(strcmp(b,a)==0)//不能用if(b==a)
  
  …
  
  //指针
  
  int len=strlen(a);
  
  char *p=(char*)malloc(sizeof(char*)*len);
  
  strcpy(p,a);//不要用p=a;
  
  if(strcmp(p,a)==0)//不要用if(p==a)
  
  …
  
  3.3计算内容的容量
  
  用运算符sizeof可以计算出数组的容量(字节数)。示例7-3-3(a)中,sizeof(a)的值是12(注意别忘了'’)。指针p指向a,但是 sizeof(p)的值却是4.这是因为sizeof(p)得到的是一个指针变量的字节数,相当于sizeof(char*),而不是p所指的内存容量。 C /C语言没有办法知道指针所指的内存容量,除非在申请内存时记住它。
  
  注意当数组作为函数的参数进行传递时,该数组自动退化为同类型的指针。示例7-3-3(b)中,不论数组a的容量是多少,sizeof(a)始终等于sizeof(char *)。
  
  char a[] = “hello world”;
  
  char *p = a;
  
  cout《 sizeof(a) 《 endl; // 12字节
  
  cout《 sizeof(p) 《 endl; // 4字节
  
  示例3.3(a) 计算数组和指针的内存容量
  
  void Func(char a[100])
  
  {
  
  cout《 sizeof(a) 《 endl; // 4字节而不是100字节
  
  }
  
  示例3.3(b) 数组退化为指针
  
  4、指针参数是如何传递内存的?
  
  如果函数的参数是一个指针,不要指望用该指针去申请动态内存。示例7-4-1中,Test函数的语句GetMemory(str, 200)并没有使str获得期望的内存,str依旧是NULL,为什么?
  
  void GetMemory(char *p, int num)
  
  {
  
  p = (char *)malloc(sizeof(char) * num);
  
  }
  
  void Test(void)
  
  {
  
  char *str = NULL;
  
  GetMemory(str, 100); // str 仍然为 NULL
  
  strcpy(str, “hello”); // 运行错误
  
  }
  
  毛病出在函数GetMemory中。编译器总是要为函数的每个参数制作临时副本,指针参数p的副本是 _p,编译器使 _p = p.如果函数体内的程序修改了_p的内容,就导致参数p的内容作相应的修改。这就是指针可以用作输出参数的原因。在本例中,_p申请了新的内存,只是把 _p所指的内存地址改变了,但是p丝毫未变。所以函数GetMemory并不能输出任何东西。事实上,每执行一次GetMemory就会泄露一块内存,因为没有用free释放内存。
  
  可以这么理解,任何函数的调用,只要不是引用传递,那么参数的传递都是在调用函数中产生该实参的副本,在这个例子中也就是为str指针拷贝另一个副本p,注意p和str 是两个不同的变量,你在调用函数中只是修改了p指向的内容,也就是为p指针开辟了空间,但是没有为主函数中的str变量分配空间,所以会出错。
  
  你的解释中p相当于这里的str _p相当于这里的p.
  
  如果非得要用指针参数去申请内存,那么应该改用“指向指针的指针”,见示例4.2.
  
  void GetMemory2(char **p, int num)
  
  {
  
  *p = (char *)malloc(sizeof(char) * num);
  
  }
  
  void Test2(void)
  
  {
  
  char *str = NULL;
  
  GetMemory2(&str, 100); // 注意参数是 &str,而不是str
  
  strcpy(str, “hello”);
  
  cout《 str 《 endl;
  
  free(str);
  
  }
  
  示例4.2用指向指针的指针申请动态内存
  
  由于“指向指针的指针”这个概念不容易理解,我们可以用函数返回值来传递动态内存。这种方法更加简单,见示例4.3.
  
  char *GetMemory3(int num)
  
  {
  
  char *p = (char *)malloc(sizeof(char) * num);
  
  return p;
  
  }
  
  void Test3(void)
  
  {
  
  char *str = NULL;
  
  str = GetMemory3(100);
  
  strcpy(str, “hello”);
  
  cout《 str 《 endl;
  
  free(str);
  
  }

     

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